氮配位金属中心的单原子催化剂（SAC）由于其独特的原子结构，已被证明具有良好的光催化、热催化和电催化性能。然而，其固有的电子结构和单一的活性金属原子决定了SAC通常能够催化单分子的基本反应，但不适用于涉及多分子和中间体协同活化的复杂反应。双原子催化剂（DAC）可以打破单原子催化剂（SAC）在多分子和中间体协同活化中的限制，为催化调节提供了额外的自由度。然而，合成具有高均匀性、原子精度和令人满意的负载量的DAC仍然是一个挑战。

近日，江苏师范大学赵爽副教授和安徽工业大学刘明凯教授、闫岩教授以及中国科学技术大学的罗赖浩副研究员合作，设计了一种“级联合成”策略，通过静电相互作用和相邻空位的精确控制，构筑出由两个氮键连接的Fe基DAC（Fe-N₂-Fe）。特殊的原子结构和独特的负载环境使其在氧还原反应（ORR）上表现出比Fe-SAC和商用Pt/C更优越的催化性能。

在该项工作中，作者首先制备了螺旋碳壁（HCW）载体作为基质，以Fe-SAC催化剂作为负载模板，而后通过自发的静电/络合相互作用将额外的Fe³⁺与模板及N源分子上的Fe桥接，随后的高温退火过程在刻蚀附近的碳原子时诱导相邻空位的形成，该空位可以很容易地捕获额外的Fe³⁺，并产生Fe-N₂-Fe双原子位点。

这种“级联合成”策略有效地提高了Fe原子的含量，减少了相邻Fe原子之间的原子距离，促进了Fe-N₂-Fe结构中桥接Fe原子的形成；同时，多孔螺旋碳壁的支撑基质有助于Fe活性位点的充分暴露和催化过程中的快速传质。此外，DFT计算表明，DAC结构有效地调节了氧的吸附构型，Fe-N₂-Fe上O-O键的断裂势垒（0.13 eV）远低于Fe-SAC上的（0.42 eV）断裂势垒，

有效改善了ORR催化动力学。以Fe-N₂-Fe为空气阴极组装的锌-空气电池在25℃和-40℃下分别表现出169.8和52.18 mW cm^-2的惊人功率密度，分别为基于Pt/C+Ir/C的电池的1.7和2.0倍。

研究结果表明，“级联合成”策略可以进一步扩展到合成不同金属对和配位环境的DAC，在构筑其他M-N₂-M DAC（M=Co、Cu、Ru、Pd、Pt和Au）方面具有普适性，为用于不同催化反应的DAC材料构筑提供了新的视角。